JP5632760B2

JP5632760B2 - 無機偏光ブレーズド回折格子

Info

Publication number: JP5632760B2
Application number: JP2011009547A
Authority: JP
Inventors: 哲日下; 常友　啓司; 啓司常友; 佳彦藤田
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2031-01-20
Also published as: JP2012150321A

Description

本発明は、入射光のうち特定の偏光成分のみについて回折格子として作用するフォトニック結晶を用いた無機偏光回折格子に関するものであり、特に、ブレーズド回折格子として作用する無機偏光ブレーズド回折格子に関するものである。

従来より、特定の偏光成分にのみ作用する無機材料のみからなる偏光回折格子として、無機の光学異方性材料（複屈折性材料）を加工してなる偏光ブレーズド回折格子（例えば特許文献１，２に記載されているもの）が知られている。無機材料のみからなるこれら無機偏光ブレーズド回折格子は、耐熱性、耐環境性、寸法精度の温度特性などが優れる。

また、コスト低減や光学設計の自由度向上を図ったものとして、光学的に等方性の材料である石英ガラス等からなるブレーズド回折格子にＬｉＮｂＯ_３等の複屈折性膜を形成した無機偏光ブレーズド回折格子（特許文献３）や、光学的に等方性の材料のみからなるフォトニック結晶を用いた無機偏光ブレーズド回折格子（特許文献４）も知られている。なおこのようなフォトニック結晶の作製方法は、特許文献５等に開示されている。

特許文献４に記載の無機偏光ブレーズド回折格子は、光学的に等方性の材料からなりその表面が平坦な基板に、平行な微細溝を有する部分と有しない部分を周期的に形成してさらにその上に光学的に等方性の誘電体材料からなる多層膜を形成することによって、フォトニック結晶構造を有する部分と有しない部分が周期的に配列したブレーズド偏光回折格子を作製したものである。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の無機偏光ブレーズド回折格子は光学異方性材料を用いるためコストが高くなりまた回折格子の特性が光学異方性材料の特性に大きく影響されて光学設計の自由度が高くないという問題があり、また特許文献３に記載の無機偏光ブレーズド回折格子はＬｉＮｂＯ_３等の無機の光学異方性材料を成膜する際の条件制御が簡単ではないという問題があった。

また特許文献４に記載の無機偏光ブレーズド回折格子は、光学異方性材料を使用していないため前述のような問題はないが、階段状の屈折率分布を有する構造を実現するために平行溝の間隔が異なるフォトニック結晶を複数配列する構成を採用していることから、特許文献５に開示されている自己クローニング法によるフォトニック結晶の作製が困難になることがあるという問題がある。すなわち、特許文献５に開示されている自己クローニング法によるフォトニック結晶の作製においては、基板に形成された溝構造の溝周期に対して、適切な成膜速度、エッチング速度を満たすように成膜、エッチングの条件を設定することが必要であり、異なる溝周期に対して一定の条件で良好な自己クローニングを生じさせることは一般に難しく、多層膜を積層するに伴って徐々にその凹凸形状が平坦なものに変わっていく傾向があるためである。

さらに、ステップ状に屈折率が異なる疑似ブレーズド構造を有する回折格子においては、ひとつのステップを狭くし多数設けて急峻かつより直線に近い形態の屈折率分布を実現しないとよい特性が得られないため、特許文献４に開示されているような平行溝の間隔を異ならせてかかる構造を実現する方法では、フォトニック結晶の作製がより困難になるという問題も発生する。

特開２００６−２３６５４９号公報特開２００９−２９４６０４号公報特開平０７−２３４３１７号公報特開２０００−２９２６１７号公報特開２００９−１２８８７９号公報

本発明は、フォトニック結晶を用いた無機偏光ブレーズド回折格子について、その作製が容易で設計の自由度が高い無機偏光ブレーズド回折格子を提供することを課題とする。

本発明は、厚み方向に垂直な第一主表面とそれに対向する第二主表面を有する透明な平行平板形状の透明基板と、第一主表面に形成されたフォトニック結晶を含む偏光ブレーズド回折格子部分からなる無機偏光ブレーズド回折格子であって、前記偏光ブレーズド回折格子部分は、実効屈折率がステップ状に変化する領域が、第一主表面に平行な第一の方向に沿って繰り返し形成されており、前記実効屈折率がステップ状に変化する領域は、フォトニック結晶が形成されているフォトニック結晶形成部分とそれに隣接する平坦部分からなる単位領域が、前記単位領域の実効的屈折率が前記第一の方向に沿って増加するように隣接して形成されており、前記フォトニック結晶形成部分は、屈折率の異なる二種類以上の誘電体材料が前記厚み方向に積層されている多層構造体であって、各誘電体材料ごとに積層の単位となる層の形状が前記第一の方向について周期的凹凸構造を有し、前記第一主表面に平行でありかつ前記第一の方向に垂直である第二の方向には一様な構造を有し、その形状を周期ごとに繰り返しつつ厚み方向に層状に積層されているフォトニック結晶からなり、前記フォトニック結晶の前記第一の方向についての周期的凹凸構造の周期が一定であるとともに、前記平坦部分の幅が前記第一の方向に沿って変化していることを特徴とする無機偏光ブレーズド回折格子。

また本発明は、前記透明基板の前記第一主表面に、前記第二の方向に垂直な断面の形状が三角波状であり、前記第二の方向に一様な形状を有する周期的凹凸が形成されていることを特徴とする、前記無機偏光ブレーズド回折格子である。前記断面の形状が三角波状であることにより、その上に形成されるフォトニック結晶の構造が良好に形成される。

また本発明は、前記透明基板の前記第一主表面に形成されている前記周期的凹凸が、ゾルゲルナノインプリント法により形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の無機偏光ブレーズド回折格子である。前記周期的凹凸をゾルゲルナノインプリント法により形成することにより、凹凸形状を形成することが容易になりかつ形状の自由度を確保することも容易になる。

本発明の無機偏光ブレーズド回折格子は、透明基板の表面に、一定の周期を有する凹凸からなる溝形成部分と、それに隣接する溝構造が形成されていない平坦部分を、ブレーズド回折格子のステップ状屈折率分布の一つのステップに相当する部分（前記単位領域）として形成し、基板上に二種類以上の誘電体からなるフォトニック結晶を含む多層構造体を形成して作製される。異なるステップに相当する単位領域の構造は、溝形成部分の幅、平坦部分の幅又はそれらの両方が変更されて、基板上に形成される多層膜の前記単位領域の実効的な屈折率が前記第一の方向についてステップ状に変化するように構成され、その実効屈折率がステップ状に変化する領域が前記第一の方向について繰り返し配置されて疑似ブレーズド回折格子を形成していることを特徴とする。すなわち、溝形成部分の幅と平坦部分の幅の比によって、基板上に形成される前記単位領域の実効的な屈折率が決定されることを利用して、一種類の溝周期からなるフォトニック結晶構造のみを形成することによって無機偏光ブレーズド回折格子を形成することを実現するものであり、それに起因して製造が容易な無機偏光ブレーズド回折格子を実現することができるものである。

本発明の無機偏光ブレーズド回折格子は、無機材料のみからなるため、耐熱性、耐環境性、温度特性が優れる。また本発明の無機偏光ブレーズド回折格子は、光学的に等方性の材料のみからなるため、製造コストが高くならない。さらにまた本発明の無機偏光ブレーズド回折格子は、溝周期が一定であるため、フォトニック結晶の製造が容易である。

図１は本発明の無機偏光ブレーズド回折格子の第二の方向に垂直な平面における断面を示した説明図である。図２は本発明の透明基板の第一主表面に形成される周期的凹凸の形状の例を示した説明図である。（ここで、図中ｘ方向が第一の方向、ｙ方向が第二の方向、ｚ方向が厚み方向に相当する）

本発明の無機偏光ブレーズド回折格子は、透明基板の表面に、一定の周期を有する凹凸からなる溝形成部分と、それに隣接する溝構造が形成されていない平坦部分を、ブレーズド回折格子のステップ状屈折率分布の一つのステップに相当する部分（前記単位領域）として形成し、異なるステップに相当する部分の構造は、溝形成部分の幅、平坦部分の幅又はそれらの両方が変更されてなることによって、基板上に形成される多層膜の前記単位領域の実効的な屈折率が前記第一の方向についてステップ状に変化するように構成され、その実効屈折率がステップ状に変化する領域が前記第一の方向について繰り返し配置されて疑似ブレーズド回折格子を形成していることを特徴とする。すなわち、一種類の溝周期からなるフォトニック結晶構造のみを利用することから、その設計や製造が容易になる。

本発明で用いる透明基板としては、石英ガラスその他のガラス材料や透明なアルミナセラミックス等の無機材料を平行平板形状に加工したものを用いることができる。

本発明においては、フォトニック結晶を形成する二種類以上の誘電体材料として、屈折率のより低いものとより高いものを用いる。このような構成は一般に光学多層膜の材料として用いられるものがあり、例えば酸化珪素と酸化タンタルを用いることが可能である。低屈折率材料としては酸化珪素の他にフッ化マグネシウム等があげられる。高屈折率材料としては、酸化タンタルの他に酸化チタン、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、またチタンとニオブの酸化物などがあげられる。

前記のような屈折率の異なる二種類以上の誘電体を用いてフォトニック結晶を作製する方法として、特許文献５に記載されているような周期的凹凸を形成した基板にバイアススパッタリング法によって多層膜を積層する方法が知られている。

図１は、本発明の無機偏光ブレーズド回折格子の第二の方向に垂直な平面における断面を示した説明図である。

また図２は、本発明の透明基板の第一主表面に形成される周期的凹凸の形状の例を示した説明図である。（ここで、図中ｘ方向が第一の方向、ｙ方向が第二の方向、ｚ方向が厚み方向に相当する）

図１のような構造を作製するためには、図２に示すような周期的凹凸を基板上に形成し、その上にバイアススパッタ法による多層膜形成を行う方法をとる。ここで、フォトニック結晶の断面構造が三角波形状になることから、基板に形成される周期的凹凸構造も自己クローニングにより形成される三角波形状と同様の形状であれば、厚み方向についてより良好なフォトニック結晶を形成することができる。

また、図２に示すような周期的構造は、基板の第一主表面を切削加工する方法、フォトリソグラフィーの手法を用いてエッチング加工する方法又はゾルゲルナノインプリント法（有機シリコン化合物を原料として、ゲル化した塗膜を基板上に形成し、型押し等の方法で周期的凹凸を形成した後に縮重合反応を生じせしめて微細な周期的凹凸形状を有するガラス材料を形成する方法）などにより形成することが可能である。このうち、形成プロセスが簡単であることと作製可能な形状の自由度が大きいことから、ゾルゲルナノインプリント法による周期的凹凸を利用することが好ましい。

フォトニック結晶の構造及び基板の周期的凹凸の構造は、ＦＤＴＤ法によりフォトニック結晶の光学特性をシミュレーションすることによって最適なものを決定することができる。周期的凹凸の周期は回折格子として作用させる光の波長に対して小さく、例えば光通信用の回折格子であれば２００ｎｍから３００ｎｍ程度の値を用いる。フォトニック結晶の厚み方向の膜厚は、使用波長の１／４波長相当にすることが通常である。

以下、実施例に基づきさらに詳細に本発明を説明する。以下のようにして、波長４０５ｎｍ、１次の回折効率をもつ回折格子の周期１５μｍの偏光ブレーズド回折格子を作製した。

ゾルゲルナノインプリント法により、石英ガラスから第一の方向について周期２００ｎｍ、アスペクト比約０．４、断面形状が三角形状である周期的凹凸からなる溝構造を、両面が光学研磨された厚さ１ｍｍの石英ガラス基板の第一主表面に後述のフォトニック結晶幅、平坦部幅になるよう形成した。

前記基板の第一主表面の溝形成部分に形成したＴａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２構成のフォトニック結晶について、次の構造とした。第一の方向についての凹凸周期を２００ｎｍとし、フォトニック結晶２周期分と平坦部の組を１サイクルとして第一の方向に３０サイクル設け、平坦部の幅はｉ番目のサイクルに対して１．１１×（ｉ×２．０２３＋ｉ^２×０．１８５７）（単位はｎｍ）とした。平坦部幅はＦＤＴＤ法による最適化プログラムを用いて回折効率が一番高くなるように決定したものである。各フォトニック結晶形成部分と平坦部分の幅を表１に示す。

バイアススパッタリング法を用いて、前記基板の第一主表面に成膜を行い、フォトニック結晶を作製した。ＳｉターゲットとＴａターゲットを用い、Ａｒガス雰囲気中でＳｉＯ_２膜とＴａ_２Ｏ_５膜を交互に成膜した。Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２の順に成膜し、Ｔａ_２Ｏ_５（２０ｎｍ）／ＳｉＯ_２（２０ｎｍ）の組合せを２２６層積層し、さらにＴａ_２Ｏ_５（３０ｎｍ）／ＳｉＯ_２（３０ｎｍ）を１層積層した。この構造により、波長４０５ｎｍの光についてＴＭ偏光（偏波方向が第一の方向である偏光成分）に対しては０次回折効率が０．４％、１次回折効率が８３．８％のブレーズド回折格子として作用することを確認した。ＴＥ偏光（偏波方向が第二の方向である偏光成分）に対しては、透過光は回折作用を受けなかった。

実施例と同様に、無機偏光ブレーズド回折格子を作製した。Ｔａ_２Ｏ_５（２０ｎｍ）／ＳｉＯ_２（２０ｎｍ）の組合せを４６９層積層し、さらにＴａ_２Ｏ_５（３０ｎｍ）／ＳｉＯ_２（３０ｎｍ）を１層積層した。この構造により、波長４０５ｎｍの光についてＴＭ偏光に対して０次回折効率が０．９％、２次回折効率が７６．９％のブレーズド回折格子を得た。ＴＥ偏光に対しては、透過光は回折作用を受けなかった。

本発明の無機偏光ブレーズド回折格子によれば、耐熱性、耐環境性、温度特性が優れ、製造が容易で製造コストが高くない無機偏光ブレーズド回折格子が容易に得られる。

１１フォトニック結晶形成部分（第１サイクルめ）
１２フォトニック結晶形成部分（第２サイクルめ）
１３フォトニック結晶形成部分（第３サイクルめ）
１４フォトニック結晶形成部分（第４サイクルめ）
２１平坦部分（第１サイクルめ）
２２平坦部分（第２サイクルめ）
２３平坦部分（第３サイクルめ）
２４平坦部分（第４サイクルめ）
３１単位領域（第１サイクルめ）
３２単位領域（第２サイクルめ）
３３単位領域（第３サイクルめ）
３４単位領域（第４サイクルめ）
４１実効屈折率がステップ状に変化する領域
１０１透明基板（実施例１の石英ガラス基板）
１０２第一の誘電体（実施例１の酸化珪素）
１０３第二の誘電体（実施例１の酸化タンタル）

Claims

厚み方向に垂直な第一主表面とそれに対向する第二主表面を有する透明な平行平板形状の透明基板と、第一主表面に形成されたフォトニック結晶を含む偏光ブレーズド回折格子部分からなる無機偏光ブレーズド回折格子であって、前記偏光ブレーズド回折格子部分は、実効屈折率がステップ状に変化する領域が、第一主表面に平行な第一の方向に沿って繰り返し形成されており、前記実効屈折率がステップ状に変化する領域は、フォトニック結晶が形成されているフォトニック結晶形成部分とそれに隣接する平坦部分からなる単位領域が、前記単位領域の実効的屈折率が前記第一の方向に沿って増加するように隣接して形成されており、前記フォトニック結晶形成部分は、屈折率の異なる二種類以上の誘電体材料が前記厚み方向に積層されている多層構造体であって、各誘電体材料ごとに積層の単位となる層の形状が前記第一の方向について周期的凹凸構造を有し、前記第一主表面に平行でありかつ前記第一の方向に垂直である第二の方向には一様な構造を有し、その形状を周期ごとに繰り返しつつ厚み方向に層状に積層されているフォトニック結晶からなり、前記フォトニック結晶の前記第一の方向についての周期的凹凸構造の周期が一定であるとともに、前記平坦部分の幅が前記第一の方向に沿って変化していることを特徴とする無機偏光ブレーズド回折格子。
前記フォトニック結晶は、自己クローニング法によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の無機偏光ブレーズド回折格子。
前記透明基板の前記第一主表面に、前記第二の方向に垂直な断面の形状が三角波状であり、前記第二の方向に一様な形状を有する周期的凹凸が形成されていることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の無機偏光ブレーズド回折格子。
前記透明基板の前記第一主表面に形成されている前記周期的凹凸が、ゾルゲルナノインプリント法により形成されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の無機偏光ブレーズド回折格子。